แหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรง (Power Supply Direct Current)

แหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรง

เมื่อเรากล่าวถึงระบบไฟฟ้ากระแสตรง คนทั่วไป ก็จะงง ว่า เออ...มัน คือ อะไร ?
แต่ถ้าบอกว่า แบตเตอรี ละก็
เมื่อนั้น จึงถึงบางอ้อ...
ทำไม ผมจึงให้ความสำคัญต่อเจ้าแบตเตอรี่มากนัก
ท่านผู้อ่าน ลองพิจารณาดูนะครับ รถยนต์ที่เราขับไปทำงานก็ใช้พลังงานจากแบตเตอรี เป็นตัวขับเคลื่อน หรือจะลงลึกไปยังระบบควบคุมตู้ต่างๆ ไม่ว่าจะเป็น ตู้ ATS,ระบบ UPS ล้วนมีเจ้านี้ เสมอ เป็นต้น

            หลักการพื้นฐานของแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรง

            แหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงทั่วๆไป จะประกอบด้วย ทรานสฟอเมอร์ (Transformer) ที่ทำหน้าที่แปลงแรงดันไฟฟ้าให้ได้ตามระดับที่ต้องการใช้งาน และเร็คติไฟเออร์ (Rectifier) ที่จะทำการปรับไฟฟ้ากระแสสลับมาเป็นกระแสตรง

            ประเภทของแหล่งจ่ายไฟตรง

            เราอาจแบ่งแหล่งจ่ายไฟได้เป็น 4 ประเภท ตามลักษณะของวงจรการทำงานได้ ดังนี้

            ประเภทที่ 1 คือ แหล่งจ่ายไฟตรงที่ไม่มีการควบคุมแรงดันไฟฟ้ากระเพื่อม (Unregulated power supplies)

            ประเภทที่ 2 คือ แหล่งจ่ายไฟตรงที่มีการควบคุมแรงดันไฟฟ้ากระเพื่อมแบบสวิตชิ่ง (Linear series - regulated power supplies)

            ประเภทที่ 3 คือ แหล่งจ่ายไฟตรงที่มีการควบคุมแรงดันไฟฟ้ากระเพื่อมแบบเชิงเส้น (Switching regulated power supplies)

            ประเภทที่ 4 คือ แหล่งจ่ายไฟตรงแบบเฟอร์โรรีโซแนนซ์ (Feroresonant power supplies)

         

แหล่งจ่ายไฟตรงที่ไม่มีการควบคุมแรงดันไฟฟ้ากระเพื่อม (Unregulated power supplies)

            แหล่งจ่ายไฟแบบนี้อาจเกิด ripple ได้สูงถึง 10% ของแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายออกมา ข้อดีก็คือ มีราคาถูก ประสิทธิภาพสูง เนื่องจากมีการสูญเสียพลังงาน วงจรเป็นแบบง่ายๆ ไม่ซับซ้อน ดังนั้นสำหรับอุปกรณ์ที่ทนการกระเพื่อมของแรงดันไฟฟ้าได้จะเลือกใช้แหล่งจ่ายไฟแบบนี้ อย่างเช่น รีเลย์ โซลีนอยด์ หลอดไฟ เป็นต้น

          สำหรับวงจรของแหล่งจ่ายไฟตรงที่ไม่มีการควบคุมแรงดันไฟฟ้ากระเพื่อมจะประกอบไปด้วย ทรานสฟอร์เมอร์ เร็คติไฟเออร์ ฟิลเตอร์คาปาซิเตอร์ และตัวต้านทาน ดังนั้น แหล่งจ่ายไฟประเภทนี้จึงสามารถออกแบบได้ถึง 3 รูปแบบที่มีการไดโอดแบบต่างๆ กัน ซึ่งแยกเป็นแบบ 3 แบบ คือ
               1.Half wave rectifies circuit 
               2.Half wave rectifies circuit 
               3.Full wave bridge rectifies circuit

แหล่งจ่ายไฟตรงที่มีการควบคุมแรงดันไฟฟ้ากระเพื่อม

            สำหรับแหล่งจ่ายไฟประเภทที่สองเป็นแหล่งจ่ายไฟที่มีการควบคุมการกระเพื่อมของแรงดันไฟฟ้า ซึ่งสามารถนำไปใช้งานได้กว้างขวางกว่า โดยแหล่งจ่ายไฟประเภทนี้จะเพิ่มวงจรควบคุมแรงดันไฟฟ้าเข้าไปแบ่ง แหล่งจ่ายไฟประเภทนี้แบ่งออกเป็น 2 ชนิด ตามลักษณะการทำงาน อันได้แก่ แหล่งจ่ายไฟตรงแบบสวิตชิ่ง (switch regulated power supplies) และ แหล่งจ่ายไฟตรงแบบควบคุมแรงดันเชิงเส้น (linear series-regulated power supplies)
แหล่งจ่ายไฟตรงแบบสวิตชิ่ง

            สำหรับการทำงานของแหล่งจ่ายไฟตรงแบบสวิตชิ่งนี้จะต่างจากแหล่งจ่ายไฟประเภทอื่นมาก กล่าวคือ แรงดันขาเข้าจะถูกแบ่งลงกลับให้เป็น dc ก่อนโดยไม่ต้องผ่านทรานสฟอร์เมอร์ ดังนั้น แรงดันไฟฟ้าจะมีค่าความต่างศักดิ์สูงจึงต้องระมัดระวังการทำงานที่จุดนี้ จากนั้นแรงดันไฟฟ้าจะถูกแบ่ง (chop) โดยเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ให้กลายเป็นไฟ ac ที่มีค่าความถี่สูง แล้วจึงป้อนเข้าทรานสฟอร์เมอร์ซึ่งมักจะใช้ทรานสฟอร์เมอร์ชนิดแกนเฟอร์ไรต์ เพื่อให้ได้ระดับแรงดันไฟฟ้าที่ต้องการ จากนั้นจึงนำไปเรียงกระแสโดยไดโอดพร้อมๆกับผ่านฟิลเตอร์คาปาซิเตอร์เพื่อให้แรงดันไฟฟ้าเรียบอีกครั้งหนึ่ง แรงดันไฟฟ้าที่ได้นี้จะถูกป้อนกลับไปยังวงจรควบคุมแรงดัน ทำหน้าที่เปิด-ปิดขาบัส (bus)ของเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ ช่วงระยะเวลาเปิดของเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์จะนานถ้าแรงดันไฟฟ้าที่ได้ออกมามีค่าต่ำ ซึ่งจะทำให้ได้ค่าแรงดันไฟฟ้าที่มีค่าเท่าเดิมทุกครั้ง โดยทั่วๆ ไปแหล่งจ่ายแบบสวิตชิ่งจะมีขนาดเล็กเนื่องจากทรานสฟอร์เมอร์ที่ใช้กับความถี่สูงจะมีขนาดเล็ก นอกจากนี้ยังมีประสิทธิภาพสูงเนื่องจากทรานซิสเตอร์ทำงานในภาวะที่เป็นสวิตซ์เท่านั้น ทำให้กำลังงานที่สูญเสียในทรานซิสเตอร์มีน้อย
แหล่งจ่ายไฟตรงแบบควบคุมแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้น (
            แต่มีราคาถูกกว่าแบบสวิตชิ่ง สามารถปรับระดับแรงดันไฟฟ้าและควบคุมแรงดันไฟฟ้าได้ดีกว่าแบบสวิตชิ่ง ส่วนมากจะนำแหล่งจ่ายไฟแบบนี้ไปใช้งานที่ต้องการคุณสมบัติดังต่อไปนี้  งานที่ต้องการเกนสูง ๆ(high gain) , ช่วงการเลือกแรงดันไฟฟ้าเพื่อใช้งานกว้าง มีสัญญาณรบกวนต่ำและที่จะต้องสามารถควบคุมแรงดันไฟฟ้าได้ทันทีที่มีการเปลี่ยนแปลงโหลดหรือแรงดันไฟฟ้าขาเข้า
แหล่งจ่ายไฟตรงแบบเฟอร์โรรีโซแนนซ์

            จะคล้ายกับแหล่งจ่ายไฟตรงแบบที่ไม่มีการควบคุมแรงดันไฟฟ้ากระเพื่อมคือประกอบไปด้วย ทรานสฟอร์เมอร์ วงจรเร็คติไฟเออร์แบบบริดจ์ ฟิลเตอร์คาปาซิเตอร์ตัวต้านทาน และที่ต่างจากแหล่งจ่ายไฟตรงแบบที่ไม่มีการควบคุมแรงดันไฟฟ้ากระเพื่อมคือ มีการเพิ่มขดลวดต่อร่วมกับคาปาซิเตอร์ในส่วนของทรานสฟอร์เมอร์ ซึ่งจะประกอบดันเป็นวงจรที่มีความถี่รีโซแนนซ์กับความถี่ของแรงดันไฟฟ้าขาเข้า ทำให้แกนทรานสฟอร์เมอร์ถึงจุดอิ่มตัว (saturation)

            ข้อพิจารณาเลือกซื้อแหล่งจ่ายไฟตรง

            การเลือกประเภทของแหล่งจ่ายไฟตรงที่จะนำมาใช้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์นั้นมีความสำคัญมากเนื่องจากหากเลือกใช้แหล่งจ่ายไฟตรงที่ไม่เหมาะสมก็จะทำให้ต้องเสียค่าใช้จ่ายสูงเกินกว่าที่ควรจะเป็น และที่สำคัญคืออาจทำให้อุปกรณ์นั้นทำงานผิดพลาดหรือเกิดการเสียหายได้ นอกจากที่จะต้องพิจารณาถึงค่าแรงไฟฟ้าขาเข้าและค่าแรงดันไฟฟ้าที่ต้องการใช้แล้ว ยังจำเป็นต้องพิจารณาถึงองค์ประกอบต่างๆ ต่อไปนี้
Regulation line & load

            ทั้ง line regulation และ load regulation จะมีความสัมพันธ์ต่อการควบคุมแรงดันไฟฟ้า โดยที่ line regulation หมายถึงการเปลี่ยนแปลงทาง เอาท์พุตโวลเทจ  (มีค่าเป็นเปอร์เซ็นต์) ที่เกิดจากการที่ ดินพุตโวลเทจ เปลี่ยนแปลงไป 10%  ค่า line regulation นี้มีค่าตั้งแต่ 0.005% สำหรับแหล่งจ่ายไฟแบบควบคุมแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้นซึ่งมีคุณสมบัติในทางควบคุมแรงดันไฟฟ้าได้ดีที่สุดไปจนถึงประมาณ 1% สำหรับแหล่งจ่ายไฟฟ้าแบบเฟอร์โรรีโซแนนซ์

            ส่วนค่า load regulation หมายถึงการเปลี่ยนแปลงทางเอาท์พุตโวลเทจ (มีค่าเป็นเปอร์เซ็นต์) ที่เกิดจากการเพิ่มค่าโหลดจากครึ่งหนึ่งไปจนถึงค่าสูงสุดเท่าที่แหล่งจ่ายไฟนั้นจะจ่ายได้ ค่า load regulation นี้มีค่าตั้งแต่ 0.005% สำหรับแหล่งจ่ายไฟแบบควบคุมแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้นจนถึง 10% สำหรับแหล่งจ่ายไฟแบบที่ไม่มีการควบคุมแรงดันไฟฟ้ากระเพื่อม

            ในการควบคุมแรงดันไฟฟ้าจะมีการตรวจสอบค่าเอาท์พุตโวลเทจที่โหลดหากเอาท์พุตโวลเทจมีค่าสูงเกินไป ซึ่งอาจเกิดจากการที่วงจรควบคุมแรงดันไฟฟ้าขัดข้อง ก็จะทำให้ตัวแหล่งจ่ายไฟหรือโหลดเสียหายได้ ดังนั้นแหล่งจ่ายไฟที่ดีจึงต้องมีวงจรป้องกันค่าแรงดันไฟฟ้าเกิน
Ripple & noise
          Ripple หมายถึงค่าแรงดันไฟฟ้ากระเพื่อมเกิดจากสัญญาณ ac ที่ยังปรากฏอยู่บนสัญญาณ dc ทางเอาท์พุต ความถี่ของการกระเพื่อมขึ้น กับใช้วงจรเรียงกระแสแบบใด เช่นในกรณีที่ใช้วงจรเรียงกระแสแบบ half wave จะเกิดการกระเพื่อมที่ความถี่ 50 Hzหรือในกรณีที่ใช้วงจรเรียงกระแสแบบ full wave หรือแบบบริดจ์จะเกิดการกระเพื่อมที่ความพี่ 100 Hz
          ส่วนสัญญาณรบกวน (noise) นั้นจะไม่มีรูปแบบและความถี่ที่แน่นอน ขึ้นอยู่กับการออกแบบวงจร โดยทั่วๆ ไปสำหรับแหล่งจ่ายไฟแบบที่ไม่มีการควบคุมแรงดันไฟฟ้ากระเพื่อมและเฟอร์โรรีโซแนนซ์ จะบอกค่าการกระเพื่อมและสัญญาณรบกวนรวมกันเป็นเปอร์เซ็นต์ของแรงดันไฟฟ้าขาออก ในขณะที่แหล่งจ่ายไฟแบบที่มีการควบคุมแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้นTemperature coefficient & stability และแบบสวิตชิ่งจะบอกเป็นค่า mVrms หรือ mVpp

Temperature coefficient & stability
          ค่า Temperature coefficient & stability หมายถึงเปอร์เซ็นต์การเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าขาออก เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง 1 องศา ดังนั้นหากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์นั้นต้องใช้งานในที่มีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่แตกต่างกันมาก ก็ต้องพิจารณาข้อนี้ด้วย
          ส่วนคำว่า stability ก็หมายถึงเปอร์เซ็นต์การเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าขาออกที่สัมพันธ์กันกับช่วงเวลาการใช้งานแหล่งจ่ายไฟตรงซึ่งโดยปกติแล้ว สำหรับการ worm up เครื่องจะใช้เวลาประมาณ 20 นาที

Current Rating
          ค่า Current Rating จะบอกให้รู้ว่าแหล่งจ่ายไฟฟ้านั้นจ่ายกระแสได้เท่าไร แหล่งจ่ายไฟที่ดีจะต้องระบุค่า Current Rating ควบคู่ไปกับอุณหภูมิในการใช้งาน ซึ่งไม่ควรให้อุณหภูมิสูงเกินกว่าค่าที่ระบุไว้ มิฉะนั้น แหล่งจ่ายไฟอาจเกิดความเสียหายและไม่ควรใช้กับโหลดที่กินกระแสเกินกว่าที่แหล่งจ่ายไฟจะสามารถช่วยได้
ประสิทธิภาพ
          ประสิทธิภาพของแหล่งจ่ายไฟ บอกด้วยคำสั่งของเอาท์พุตต่อค่าคำสั่งของอินพุตที่ป้อนเข้า ถ้าสัดส่วนนี้สูง แหล่งจ่ายไฟจะเกิดความโอนมาก ซึ่งก็คือจะมีประสิทธิภาพต่ำ ซึ่งแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งและเฟอร์โรรีโซแนนซ์จะมีประสิทธิภาพสูงกว่าแบบอื่นในขณะที่แหล่งจ่ายไฟแบบเชิงเส้นจะมีประสิทธิภาพต่ำที่สุด